Jednou jsem při opravě digitálního multimetru RFT G1002.500 narazil na zajímavý obvod U126D, což je univerzální obvod pro čítače a multimetry z produkce bývalé NDR. Možná někdo podotkne, že je naprosto neúnosné dělat čítač pomocí více než 25 let starého a nesehnatelného obvodu, ale proto že jsem zjistil že je jich na trhu stále dostatek za velice příznivé ceny, tak jsem se rozhodl myšlenku čítače s tímto obvodem realizovat. Druhý podnět je ten, že téměř všichni konstruktéři dnes staví zařízení výhradně s mikroprocesory a zapomínají na možnosti klasické stavby zařízení a touto konstrukcí jsem chtěl inspirovat mladé kluky v kroužku a ukázat jim, co vše je možné s elektronikou dokázat i bez jednočipových mikropočítačů. Dalším plusem je relativně nízká cena tohoto výrobku kde se cena materiálu na modul čítače bez displeje a časové základny pohybuje kolem 300,- Kč, a modul displeje se dá sestavit v tomto konkrétním provedení za přibližně 150,- Kč.

Než jsem se pustil do konstrukce, bylo potřeba naastudovat funkci a hlavně sehnat katalogový list, nebo jakýkoliv věrohodný a dosatečně výstižný popis tohoto obvodu. Nevěděl jsem do čeho se pouštím, protože najít dokumentaci k čemukoliv z produkce NDR je celekm oříšek, zvláště když neumím německy. Nakonec jsem narazil na stránky Dr. Lutze Hölla DK3WI http://www.mydarc.de/dk3wi/html/frequenzzahler_mit_u126d.html kde byla konstrukce jednoduchého čítače s tímto obvodem a následující odkaz http://www.alice-dsl.net/jan.kappler/download/Datenblatt_U126D.pdf s popisem tohoto obvodu, časem jsem ještě našel tento odkaz s originálním popisem http://www.train-z.de/datasheet/GDR/U126D.pdf. Dále jsem se nechal s některými částmi inspirovat rešením školního čítače TESLA BK130, který je postaven právě s tímto obvodem, nicméně celé zapojení je poplatné době a mnoho z použitých součástek je dnes již prakticky nedosažitelných a navíc mnohdy překonaných. Po nastudování dostupné dokumentace, které mi kvůli nepříjemné technické němčině trvalo nějaký pátek, jsem se rozhodl postavit prototyp na nepájivém poli, vyzkoušet si jednotlivé části a následně vznikl ověřovací prototyp na jednostranné DPS. Na tomto prototypu byly odstraněny prvotní nedostatky a nakonec vznikla finální podoba tohoto modulu čítače. Modul je koncipován tak aby byl v co největší míře nezávislý na některých konkrétních komponentách. Toto je uplatněno zejména v modulu zobrazovače, kde si může každý konstruktér zvolit jaký konkrétní typ displeje chce použít a podle toho si navrhnout vlastní desku zobrazovače. Dále je zde dána volnost pro volbu zdroje řídících kmitočtů, a to zejména proto, že každý si dle svých potřeb a možností může zvolit vhodný zdroj signálu a to buď vyhřívaný oscilátor, stabilní krystalový oscilátor nebo jiné řešení dle libosti.

Dále bych chtěl upozornit, že zmiňovaný článek popisuje řídící modul, který potřebuje vstupní signál v úrovních CMOS a je nutné jej dovybavit vstupním obvodem (zesilovačem) dle požadavků uživatele. Vstupní obvod je v současné době ve vývoji a bude po ověření a odladění popsán v některém z dalších článků tohoto webu.

Popis obvodu U126D

Nejprve bych se věnoval zjednodušenému popisu obvodu U126D a to v módu čítače. Tento obvod je ve své podstatě čtyřdekádový vratný číítač se záchytnými registry, multiplexerem a dekodérem. Dále obsahuje logiku ovládání, která umí pracovat ve dvou módech - čítač nebo voltmetr. Obě části, jak čítací tak i řídící logika, jsou na sobě prakticky nezávislé a mohou pracovat samostatně. V případě že pracují v součinnosti, jsou propojeny řídící výstupy logiky, které zabezpčují ovládání hradla, zápis do registru a nulování s odpovídajícími vstupy čítače. Toto se dá prakticky využít pro rozšíření čítací logiky na více dekád, což bych hodně předbíhal a praktické využití bude popsáno dále.
Jak jsem se již zmiňoval výše, čítací část obsahuje čtyři dekadické čítače jejichž výstupy jsou multiplexovány a dekódovány pro sedmisegmentový displej a současně je zde i výstup nedekódovaných dat pro klasický dekodér, nebo pro možné připojení mikropočítače a podobně. Na vstup řízení multiplexeru se přivádí řídící kmitočet 100 KHz, který se dělí v poměru 1:64 a dále generuje posloupnost pro samotný multiplexer 1 ze 4, který slouží pro výběr dat pro zobrazení. Pro ovládání zápisu a nulování jsou vyvedeny vstupy, dále je zde vstup zhasínání displeje a omezení hodnoty na hodnotu 2000 a nakonec vstupy pro čítání vzestupně a čítání sestupně.
Blok řídící logiky se skládá ze dvou děliček 100, přičemž první stupeň předdělí kmitočet časové základny stema a výstupní impulzy používá pro druhý stupeň děličky, která pakgeneruje ovládací signály pro jednotlivé módy. Pokud se tedy na vstup děliček přivádí hodinový signál časové základny, například kmitočet 10KHz, bude šířka řídících impulzů generovaných prvním stupněm děličky 10ms. Druá dělička pracuje jako generátor doby čítání a po dobu jejího čítání je je na výstupu řízení hradla signál pro jeho otevření a současně je aktivován i výstup indikující měření. Když druhý dělící stupeň dosáhne vrcholu výstup řízení hradla zablokuje vstupní signál (při výše zmiňovaném kmitočtu časové základny je pak doba otevření hradla 1s). Vzestupná hrana prvního impulzu z prvního stupně po uzavření hradla vygeneruje signál (STO) určený pro zápis do střadače a druhý impulz v pořadí vygeneruje svou náběžnou hranou signál (REO) pro vynulování čítačů. Sestupnou hranou výstupu nulování čítačů se současně nuluje výstup indikující měření. Samotné měření započne přivedením nízké úrovně na vstup spouštění měření(SI), čehož se dá využít pro případnou synchronizaci s externím zařízením.

Externí předdělička, střadač a multiplexer

Jak již bylo popsáno obvod U126D je prakticky 4 dekádový čítač, ale má hned několik omezení. Jedním z největších omezení je maximální pracovní kmitočet čítačů 800KHz, což je prakticky dnes nepoužitelné. Toto omezení je možné s využitím vyvedených řídících signálů zápisu do střadače (STO) a nulování (REO), odstranit pomocí vnějších předděliček a již při použití dvou rychlých dekadických čítačů a časové zakladně 1MHz, je možné měřit kmitočet až 80MHz při zobrazení 6-ti digitů a rozlišení 100Hz. Pro zjednodušení a možnost přesnějšího odečtu měřeného kmitočtu jsem zvolil předděličku čtyřstupňovou, kdy při délce otevření hradla 1s je, při zobrazení na 8 digitů, možné měřit kmitočet až 100 MHz s rozlišením 1Hz.
Rychlá předělička je sestavena ze synchronních binárních čítačů typu 74xx161 se zkráceným cyklem. Je na snadě otázka proč zrovna binární čítač a ne dekadický, nicméně vysvětlení je jednoduché - dekadický čítač pracující na kmitočtu 100MHz se prakticky ani na dnešním trhu nenachází. Proto byl zvolen čítač 74xx161 v kombinaci s jedním hradlem NAND, které zabezpečuje zkrácení cyklu čítače, které se provádí synchronně se vstupními hodinovými pulzy a to nastavením hodnoty nula po dosažení výstupní hodnoty 9. Volba přednastavení hodnoty nula je použita proto, aby se asynchronní reset mohl nezávisle použít s výstupem obvodu U126D pro nulování čítačů před dalším měřením. Další výhodou tohoto řešení je, že délka impulzu pro další stupeň jse pak rovná právě jedné délce periody kmitočtu předešlého stupně a není to pouze krátký impulz definovaný dobou zpoždění smyčky dekodéru výstupní hodnoty a vstupu nulování čítače. Z důvodu zjednodušení návrhu desky plošných spojů je použito jedno hradlo 74AHC1G00DCK v pouzdru SC70-5 pro každý čítač. Pro první supeň čítače je použit 74LV161APW protože dokáže pracovat se vstupním kmitočtem až 220MHz a pro zbývající stupně jepoužit 74HC161PW, které pracují do vstupního kmitočtu cca 30 MHz. Výstupy čítačů této předděličky jsou přivedeny na rychlý dvojitý 8-mi bitový střadač CY74FCT162374ATPVCG4 (ve své podstatě se jedná o zdvojenou verzi střadače 74xx374) v pouzdře SSOP-48 a vstupy strobování jsou přivedeny na výstup STO řídící logiky obvodu U126D. Samotný multiplexer je sestaven ze čtvečice čtyřnásobných budičů sběrnice CY74FCT162244CTPVC (opět zdvojená verze 74xx244) taktéž v pouzdře SSOP-48. Výstupy budičů jsou propojeny a s využitím výstupu multiplexu U126D je zabezpečeno připojení vždy jen jedné sady výstupů čítačů do sběrnice. Na tuto sběrnici je připojen dekodér BCD na sedmisegmentový zobrazovač CD4543 v pouzdře SO-8.

Obr. 1. - Schéma rychlé předděličky, střadače a multiplexeru

Zobrazovací část

Ačkoliv má v sobě U126D integrovaný dekodér pro displej, zvolil jsem jako dekodér výstupních dat CD4543. Toto bylo ze dvou důvodů, první byl ten, že výstupy U126D nejsou schopny přímo vybudit displej a je nutno použít vhodný budič podle typu použitého displeje a tím druhým, nejvýznamnějším, byl fakt, že celá aplikace je navržena tak, aby se mohlo použít téměř jakéhokoliv displeje a tyto dekodéry mají možnost výběru kódování výstupních signálů buď to pro displej se společnopu anodou, nebo pro displej se společnou katodou. Toto je možné volit na pájecích propojkách na vrchní straně desky, propájením příslušných spojů (CA/CC). Aby bylo možné použít displej jakékoliv konfigurace (CA/CC) bylo nutné vhodně navrhnout i obvod buzení společných vývodů displejů. Jako budič je použita osmice výkonových darlingtonových budičů v pouzdru SO-18, zde opět dle použitého dipleje osadíme pro společnou anodu PNP darlingtopnové pole TD62783 nebo NPN darlingtonové pole ULN2803 pro displej se společnou katodou. Jelikož mají vstupy i výstupy zapojeny na stejných vývodech, bylo potřeba jen vyřešit připojení napájecích vývodů, které se u jednotlivých budičů liší. Správné připojení napájecích vývodů budičů se provede opět vhodnou konfigurací připravených pájecích propojek, které je popsáno na schématu. Na desce plošných spojů je toto vyznačeno opět nápisy CA/CC, takže je důležité osadit správný budič a pájecí propojky propájet dle popisků.

Obr. 2. - Zobrazovací část U126D, dekodér, budič displejů a napájení obvodů

Časová základna, výběr doby čítání a spouštění

Z důvodu jisté volnosti ve výběru součástek, a to zejména přesného zdroje kmitočtu, je časová základna navržena jako samostatný modul, který si může každý navrhnout dle svých představ a zejména podle toho, co mu peněženka dovolí. Je důležité říci, že přesnot čítače je závislá pouze na modulu časové základny, a tudíž je na každém jak přesný zdroj kmitočtu zde použije, zdali mu postačí precizní krystalový oscilátor, oscilátor s temperovaným krystalem a nebo použije nějaký jiný způsob získání tohoto stabilního kmitočtu. Navržený modul použitý v tomto čítači mnohdy používám jako zdroj kmitočtů v nepájivém poli při laborování či testování, nebo jako zdroj signálu pro jednočipový mikroprocesor, když se mi občas podaří vypnout vnitřní oscilátor, a z těchto důvodů je modul časové základny popsán v samostatném článku.
Modul časové základny je na deskou čítače nasazen pomocí precizních lámacích pinů, nicméně stejně dobře se dá provést pomocí jakýchkoliv konektorů s roztečí 2,54mm a nebo pomocí přímého propojení pomocí plochého vodiče.  Z časové základny vystupují celkem 4 kmitočty a to 1MHz, 100kHz, 10kHz a 1kHz, těmto kmitočtům pak odpovídá doba otevření hradla 10ms, 100ms, 1s a 10s což poskytuje velice rozmanité časy měření a je možné uskutečnit jak rychlá měření, tak i dlouhá měření, kdy při době otevření hradla 10s je možné dosáhnout rozlišení 0,1Hz. Kmitočet 100kHz je současně použit jako zdroj signálu pro řízení multiplexeru U126D.
Přepínání kmitočtů je prováděno bezkontaktně pomocí analogového multiplexeru 74HC4051. Tento obvod je sice multiplexer 1:8, ale je využito pouze výstupů odpovídajících váhovým hodnotám 0,1,2,4 a přepínání se provádí přivedením vysoké úrovně na příslušné vstupy multiplexeru (je použit přepínač v konfiguraci 1 ze 3 nebo 1 ze 4). Při zobrazení měřené hodnoty na 8 digitů je pak zbytečné používat při kmitočtech do 100 MHz čas otevření hradla 10ms a tudíž bohatě postačí tři časy hradlování 0,1s, 1s a 10s.
Obvod spouštění měření je tvořen čítačem 74HC4024 jehož výstupy Q4 a Q5 jsou použity jako zdroj impulzu opětovného spuštění měření za 0,16s (Q4) nebo 0,32s (Q5). Tato doba se počítá od okamžiku uzavření hradla uvolněním resetu poslední děličky časové základy a přivedením signálu o kmitočtu 100Hz na vstup čítače 74HC4024. Volba doby opětovného spuštěni se provádí pomocí pájecí propojky na vrchní části desky plošných spojů.

Obvod hradlování

Jako řídící hradlo slouží klopný obvod RS sestavený ze dvou rychlých dvouvstupových hradel NAND v pouzdře SSOP-8. Zde se naskýtá otázka "Proč zrovna použít pro hradlování klopný obvod RS?" a odpověď je na snadě. Použití klopných obvodů RS má velký význam ve tvarování hran při změně úrovně a hrana je podstatně ostřejší a než při použití jednoho hradla. Z důvodu rychlosti byla použita dvojice hradel 74LVC2G00DCT, která mají extrémně krátkou dobu zpoždění signálu (typicky 1ns a maximálně 3,3 ns). Pro vstup je použit VF konektor typu MCX, ale je možné použít i SMA konektor, neboť vývody do DPS jsou u obou typů totožné.

Obr. 3. - Řídící čáast U126D, výběr časové základny, obvod spouštění a hradlování

Návrh desky plošného spoje hlavního modulu čítače
Osazovací plány desky hlavního modulu čítače
Osazená deska hlavního modulu čítače

Modul displeje

Jak již bylo naznačeno výše, tento modul je možné navrhnout dle vlasních potřeb i s jiným typem zobrazovače a to jak se společnou anodou (CA) tak i se společnou katodou (CC). Pro zobrazení informace je v tomto konkrétním návrhu použito 8 samostatných sedmisegmentových zobrazovačů zelené barvy o velikosti znaku 0,39" se společnou anodou, které mají ochrannyý odpor 120Ω. Samozřejmě že by mohlo být využito dvou čtyčmístných multiplexních displejů, ale toto řešní pak následně přináší komplikace při zobrazování desetinné tečky, kdy je nutné vyvést do modulu volby rozsahu ještě informaci o právě zobrazovaném digitu a tuto zpracovat obvodem multiplexování desetinné tečky. V případě samostatných displejů toto odpadá a stačí pouze připojit kladné (CC) nebo záporné (CA) napětí na vstupy jednotlivých desetinných teček (polarita závisí opět na typu použitého displeje).  Modul displeje je k čítači připojen pomocí dvou osmipólových konektorů pro segmenty a pomocí dvou čtyřpólových konektorů pro společné vývody displejů. Tato konstrukce pak umožňuje nezávislé uchycení v zamýšlené krabičce a možnost vhodného umístění jednotlivých částí výsledného zařízení (zdroj, vstupní díl, časová základna, displej a ovládání).

Obr. 4. Schéma modulu displeje

Z důvodu výše uvedené volnosti návrhu zde nebudu publikovat konkrétní obrazce návrhů desky plošných spojů a osazovací plány, ale ukážu pouze finální desky pro displeje 0,39", které byly použity v mé verzi čítače. Dále bych chtěl upozornit, že uvedené hodnoty odporů odpovídají pro použitý typ displeje a pro různé barvy a typy displejů je potřeba použít jiné hodnoty odporů. V mém návrhu je s výhodou využit oboustranný plošný spoj, kde jsou díky prokoveným otvorům osazeny kolíkové lišty CN1 - CN5 ze strany spojů a umožňují pohodlné připojení vodičů pro propojení modulu displeje a modulu čítače i po namontování do panelu (krabičky) a následné pohodlné rozebírání v případě opravy bez demontáže samotného displeje. Konektory CN1 a CN2 jsou použity pro propojení segmentů displejů, konektory CN3 a CN4 pro multiplexované společné vývody displejů a CN5 pro aktivaci desetinné tečky v závislosti na měřeném kmitočtu.

Deska plošného spoje modulu displeje